Applications of Electron Backscatter Diffraction (EBSD) in Palaeontology

一、EBSD简介

EBSD全称为电子背散射衍射技术 (Electron Backscatter Diffraction)，在扫描电镜中电子束从倾斜样品表面激发出背散射电子，在磷屏上形成衍射菊池带，通过对衍射菊池带的分析可以获得晶体结构、取向及相关信息 (杨平，2007)。EBSD于上世纪70年代作为一个新的取向结构分析技术而出现，随后经过快速发展，现已成为晶体取向和织构分析的标准技术。它可用于各种晶体材料，包括金属、陶瓷、半导体、地质样品 (矿物或古生物化石) 等的分析。我们可以通过对任何形状的样品区域进行分析，得到正极图和反极图、完整的取向分布函数 (ODF) 以及取向差分布和取向相关函数 (ODE、MODF、OCF)，并从一组单独的晶粒取向中得到相关的形态学参数 (例如晶粒尺寸和晶粒形状分布)，以及与晶格相关的参数 (例如晶体完整度和再结晶晶粒的比例、晶界、取向差和晶格类型) 等信息。

二、EBSD在古生物学方面的应用

        EBSD作为材料科学中常用的表征晶体取向研究方法，基于其强大的分析能力，可以获得很好的晶体学信息，例如晶粒的形状、大小、晶界等晶体形态学参数和晶体取向分布等等。
        事实上，近年来逐渐有古生物学家利用EBSD分析技术来研究化石中所蕴含的晶体矿物。生物矿化骨骼是化石记录的重要组成部分，而化石的矿物晶体很可能会被成岩改造，那么如何识别埋藏改造作用的影响，甄别原生的生物矿化结构一直是困扰古生物学家的一个问题。利用EBSD对矿物晶体织构的强大分析能力，可以帮我们获取化石中生物矿化骨骼更精细的晶体学信息，一方面识别成岩改造作用；另一方面也获取了远古时期生物有些甚至已经绝灭生物的全新生物矿化信息。

1. 化石保存状况的评估
           通过EBSD对化石壳质矿物的分析，将其晶体参数与现生种类进行对比，可以判断化石被改造程度 (即得出保存状况的评价)。Vendrasco et al. (2018) 通过EBSD确认了来自宾夕法尼亚纪的腹足类、双壳类和头足类珍珠层的晶体学取向，发现其与现生种类别无二致，结合SEM和原子力显微镜 (AFM) 的形貌观察，可推断出这些化石的珍珠层未经过改造。类似的研究还有采用EBSD获得中侏罗世箭石 (Megateuthis gigantea) 中的方解石晶体的取向分布模式，表明其晶粒已经过成岩改造 (Hoffmann et al., 2016)。该化石方解石颗粒的a轴{010}的取向分布差异较大，具有不同的特征，而相邻的10-100个颗粒组成一个纤维束，单个纤维束内的颗粒具有相似的取向，单个纤维束内方解石颗粒的a轴的空间取向与该纤维束的取向平均值偏离20 °或更小，由此表明原有的方解石的纤维状结构发生了成岩改造 (Hoffmann et al., 2016)。EBSD的分析技术还被应用到恐龙蛋壳的研究中。恐龙蛋壳中的一种矿化结构—球晶 (extra-spherulites)，过去曾被用于系统分类的鉴定特征或者被推断为病理成因的结构，而早白垩世恐龙蛋壳 (Megaloolithidae) 的EBSD反极图表示这种球晶结构与真壳单元形成高角度的接触关系；晶界图也表明高角度取向差边界将球晶与真壳单元分离开来，并且球晶的低角度边界 (即晶体缺陷) 的数量减少了，这种特征还出现在蛋壳空隙的成岩填充物上，从而得出蛋壳中的球晶为埋藏成因 (Moreno-Azanza et al., 2016)，不能被作为系统分类的鉴定特征，更不可能是病理成因的结构。
            识别成岩改造作用及其影响程度，对于利用硬体骨骼化石作为原材料的地球化学分析至关重要。EBSD在甄别成岩改造方面表现出的优越性，使其也逐渐成为一种地化分析前期材料质量判别的重要依据。例如，利用EBSD结合SEM对腕足 (更新世Laqueus rubellus，晚中新世Terebratula terebratula) 壳质的分析，确认化石的良好保存 (Laqueus rubellus：没有迹象表明重结晶或改造；Terebratula terebratula：相对良好的保存，小孔被二次方解石小颗粒填充，且这些颗粒取向无序)，为后续的地化分析和阐释提供充分的依据 (Clark et al., 2016)。利用EBSD对奥陶纪三叶虫Carolinites 和Opipeuterella的眼睛 (方解石) 进行超微结构的取向表征，结合CL (阴极发光) 和SEM来判断化石的保存质量 (保存较好的样品不发光，存在较清晰的晶体边界并保留原有的结构)，为后续依据稳定同位素分析的可靠性提供了参考 (Bennett et al., 2018)。此外，为了模拟壳质的埋藏作用，古生物学家们对生物骨骼进行模拟成岩改造 (例如热改造)。改造后的壳类样品，通过EBSD分析可以检测晶粒的改造程度 (晶相，晶粒尺寸、形态以及取向) (Casella et al., 2017, 2018a and 2018b；Pederson et al., 2019)，从而得以与化石中保存的矿物的晶体学参数进行比对，推断化石可能经历的成岩作用过程。例如Casella et al. (2017) 对北极蛤热改造的研究，展示了壳质从文石转变为方解石晶体的变化过程，包括矿物形貌、大小的转变，以及新矿物的生成 (重结晶)。
   
2. 获取古生物原生矿化信息
           EBSD可以有效获取化石骨骼中生物矿化信息，尤其是已灭绝类群硬体骨骼的生物矿化信息，帮助我们进一步理解生物矿化骨骼的演化，以及生物矿化骨骼记录的原始环境信息。例如采用EBSD对早白垩世箭石Neohibolites minimus进行分析，结果得出orthorostrum和epirostrum两个部位具有不同的晶体学特征。结合CL的分析结果，排除了成岩作用的影响，得出这种个体内的差异是由生物矿化驱动差异所造成, 同时对该箭石的生物矿化过程有了更进一步的认识 (Stevens et al., 2017)。Coronado 及其同事多年来利用EBSD对珊瑚化石的分析，获得了多个古生代珊瑚类群的生长模式信息。早在2013年 (Coronado and Rodríguez, 2013) 他们通过EBSD对石炭纪珊瑚 (Multithecopora) 进行分析，获得了保存良好的薄片状和纤维状结构以及各结构的晶体取向，结合AFM、SEM等分析结果，提出这些显微结构为原生物矿化结构。随后，Coronado et al. (2015a and 2015b) 等人通过EBSD获得了石炭纪珊瑚 (Sinopora, Syringoporicae) 良好的晶体和微薄片形貌，以及薄片层的取向分布 (择优取向)；对其四个属七个种 (均属于Syringoporicae (Auloporida)) EBSD分析发现，主要由三种方解石结构 (纤维状、薄片状、颗粒状) 组成。尽管这些方解石具有不同的外形，它们都有相似的晶体学特征，揭示了这些珊瑚化石结构的生物成因并提出Syringoporicae的生长模式。同样的研究方法又被应用到中泥盆世珊瑚Calceola的研究，通过对不同部位的EBSD分析，确认组成矿物 (仅为方解石)、取向分布 (不同结构C轴取向不一致)、晶粒 (晶相图表明纤维状结构和颗粒结构均为同一晶粒，而薄片状结构中有些晶粒包含多个晶体，取向差分析) 等等，得到Calceola的生物矿化形式，并与其它刺细胞动物进行对比，发现两者具有类似的矿化过程，这一工作为我们理解古生代珊瑚的生物矿化机制打开了一个新的窗口 (Coronado et al., 2016)。当古生物学家把EBSD应用到志留纪和泥盆纪无处不在的生物礁建造者—叠层石的骨骼结构时，观察到保存完好的高度钙化角毛类海绵的骨骼由独特的单晶纤维束组成，类似的晶体纤维束被认为是层孔虫的原始微结构 (Balthasar et al., 2021)。
   
3. 获取古生态信息
           在排除了成岩作用的影响之后，硬体化石的矿物织构信息还可以记录该生物原始环境的信息。例如，McCoy et al. (2017) 对三个时间段 (1000-2420年前，1970s，现生) 贻贝壳体进行了EBSD分析，发现随着时间推移，CaCO₃晶体取向分布无序性增加，这是双壳类应对海洋酸化压力时在壳质上的首要反应。 EBSD将生物矿物的超微织构 (晶体择优分布) 可视化，可以根据其织构判断该生物的古生态 (生活方式) 信息。例如，利用EBSD对古生代三种已灭绝腕足类化石Athyris spiriferoides、Composita ovata和 Plicathyris ezquerrai壳体腹缘和背缘的超微织构分析表明，前两者的壳体建造与现生穿孔贝类相似 (背壳和腹壳的方解石的c轴垂直于外壳表面)，可能属于肉茎附着于坚硬基底的表生类型；第三种则与现生小嘴贝类有更多相似性 (腹壳方解石c轴的方向平行于外壳表面)，可能属于斜卧的生活方式，腹缘靠在基底上 (Pérez-huerta and Reed, 2018)。
           总之，EBSD已成为帮助古生物学家们甄别埋藏作用、提取化石骨骼中有效的生物矿化信息的重要技术手段之一；同时，对化石原生矿物特征的准确判断，可为后续的地化分析筛选最佳样品，为进一步的地化数据分析的可靠性提供有效保障。相信在不久的将来，EBSD将在古生物领域得到愈加广泛的应用。
   

三、EBSD系统的硬件装置

EBSD系统的硬件主要由2个部分组成：SEM和图像采集设备 (EBSD探测器)。组装EBSD系统时必须考虑到以下困难：
        • 相对于入射电子束大约70°的样品倾斜；
        • 背散射菊池图案的对比度和强度低，背景噪声高；
        • 由于污染和变形层而导致图像质量减弱；
        • 电子束轰击下低导电材料的分解和放电作用；
        • 对高速，高空间分辨率和高精度花样采集的要求。

1. SEM装置
           场发射源扫描电镜是进行高速和高分辨率取向分析的首选。一方面，场发射源电子枪可以在束斑直径达到0.02 μm及以下时的小探针中产生高电子束流，其性能优于任何钨灯丝电子枪，并且场发射源的电子束流能够在几个小时内都保持稳定。场发射枪的另一个不可估量的优势是它产生的电子束孔径小得多，因而聚焦深度更大。
   EBSD的空间分辨率取决于束斑大小以及加速电压的高低。较高的空间分辨率要求较强的一次束斑以及束斑在样品内与一次电子的相互作用体积较小。通过将电压从通常的20 kV降低到几个kV，可以在一定程度上提高EBSD的空间分辨率，但是光束亮度和磷屏的灵敏度以及花样强度也会降低。因此需要在空间分辨率和标定率之间取得一定的平衡，而场发射枪通常针对调节加速电压和工作距离可以实现空间分辨率的进一步优化。
           另外需要特殊注意的是，EBSD分析时需要将样品台倾转70 °，因而需要设计特殊的样品台 (台面可倾斜70 °)。相对于水平的样品台，倾斜样品台的入射电子束具有更大的入射角，从而能够获得更高强度的背散射衍射电子。当样品倾斜角变小并且入射角达到40 °或更大时，EBSD图像的强度迅速降低。因此，通常以相对于水平面约70 °的样品倾转角 (或20 °的电子束入射角) 来获得最佳的EBSD图像。
   
2. 图像采集装置
           EBSD图像采集装置主要由EBSD探测器和计算机组成。EBSD探测器的最前端装有磷屏，用于获取样品中激发出的菊池花样。其后的CCD相机系统将磷屏所获取的图像采集转换并显示出来，同时传输到计算机系统进行处理，与数据库进行对比然后完成标定。通常将磷屏直接连接到与CCD传感器耦合的光纤束上，这样做的目的是提高传感器采集的灵敏度。当磷屏与相机传感器芯片之间的距离较短时，高品质的小光圈微距镜头可作为首选。采用时间平均技术收集完整图像可以获得足够的光强度和对比度，相较于在芯片上执行图像合并，获取EBSD图像质量更高。CCD采集到的数字图像是用于图像识别的唯一信息来源。软件只能在一定程度上改善质量较差的图像或失真。因此，相机的选择须谨慎，在灵敏度、噪声、像素数量、图像质量和成本之间进行权衡。
           EBSD探测器通常安装在可伸缩平台上，这使得磷屏和相机能够沿着摄像系统的光轴以固定的间距精确平移，从而使投射到磷荧光屏上的衍射图保持聚焦。
   

四、化石样品EBSD技术的分析流程

对用于EBSD分析的样品，要求表面清洁、平整、无应力 (弾、塑性应力) (杨平，2007)，而古生物化石材料由于微观结构的影响通常软硬不一，组成成分较复杂且通常导电性能低，需要精细的样品制备过程。

1. 样品制备
           通常古生物样品形状不规则，需将样品用环氧树脂包埋起来并切割，以获得待分析的表面。然后利用不同粒径的金刚石悬浮液对该表面进行循序渐进的粗打磨以去掉表面的应力层，然而手动抛光无法精确控制每个粒度打磨时去掉的厚度，无法准确判断是否完全去掉了形变层，因而制样的效率及成功率很低，从而需要仪器来控制样品表面需要抛除的应力层厚度。使用Leica EM TXP精研一体机和Leica EM TIC 3X三离子束切割仪的结合则可以实现高效率的EBSD样品制备。
           在样品包埋好之后，使用精研一体机进行精确切割获得待分析的表面。然后，将该仪器的刀片换成抛光片便可进行接下来的抛光。首先是9 μm的抛光片打磨去掉前面切割造成的形变层 (约去掉75 μm的厚度)，接着2 μm的抛光片打磨去掉9 μm造成的形变层 (约25 μm的厚度)，最后用0.5 μm的抛光片打磨去掉2 μm造成的形变层。最终采用三离子束切割仪Leica EM TIC 3X，让离子束对样品表面进行精细抛光，以去掉最后的形变层，每个样品抛光总时间约2-3 h。三离子束抛光完毕即可上机分析。
           由于古生物样品导电性较差，一般采用低真空模式观察 (本文紫贻贝壳质采用SU5000场发射电镜，Symmetry EBSD探测器，低真空30 Pa，电压12 kV)。若使用电镜无法采用低真空模式，则需要镀层来增加导电性。若是采用高真空，需严格控制镀层（碳膜）的厚度和新鲜度，过厚的镀层也会使样品表面激发的衍射信号减弱。实验表明2.5 nm厚度的均一碳膜可达到最佳的效果，若大于5 nm接收到的衍射信号开始变弱 (Perez-Huerta and Cusack, 2009)。如果镀层太薄则无法产生良好的导电效果，亦会影响衍射信号的采集。笔者采用过4-6 nm的碳膜，都无法有效去除电荷效应，因而，低真空( 约30 Pa)更适合(古)生物样品表面小面积的EBSD分析。
           本文主要介绍常规块体样品的制备和EBSD分析。针对纳米级别晶粒的样品则不适用，需另外借助FIB(Focused Ion beam)技术制备超薄切片，利用配套的t-EBSD样品台，在SEM中进行EBSD实验。这种分析技术(t-EBSD，透射菊池衍射技术），可显著提高EBSD的空间分辨率，最高可达10 nm（Keller and Geiss, 2012），可用于骨骼以及牙釉质中纳米级羟基磷灰石晶体的取向分析（e.g. Koblischka-Veneva, 2018）。
   
2. EBSD的数据采集
           晶体取向定义为晶体的三个晶轴在样品坐标系的相对方位 (杨平， 2007)。EBSD测量材料的晶体学取向时，需要将这些取向参数化，并以清晰简洁的方式表示出来，以极图为例。
           传统上，极图是表示织构的方法之一，即将晶体坐标系投影到样品坐标系上。
           一个特定晶面的取向由一条穿过原点 (球心)，并垂直于晶面方向的直线指定 (图1红色标识)。该直线与以原点为中心的单位球面相交于两个相反的点。这两个点中的任何一个点可唯一地标识该线。然后，晶面的方向由平面的法向矢量 (在图1红色标识) 与单位球面的正半球的交点 (点p) 完全指定; 该点被称为极点 (图1)。
   
   
   图1. 晶面取向的立体投影 (加粗线标示的平面代表晶面，图引自Mason and Schuh, 2009)
   
           当将某个晶体的所有极点投影到二维平面时，可获得极图。目前最常见的投影是立体投影，又称极射赤平投影 (图1)，该立体投影保留角度但不保留面积; 两条线之间的角度在半球上的投影与它们在平面上的投影之间的角度相同，尽管这是以改变投影中两极的极点密度为代价。除立体投影之外，有时也会采用等面积投影，这种投影保留了极点的密度，但扭曲了投影线之间的角度。
           反极图则与极图相反，是将样品坐标系投射在晶体坐标系中。通常是样品中标识了一个方向，例如，纤维或金属丝的轴或薄膜的生长方向。构造反极图的过程与极图的过程非常相似除了一个例外：不是将结晶学极点投影到由样品几何形状确定的平面上，而是将沿给定样品方向的向量投影到由局部晶体学取向确定的平面上 (即图1加粗线标识的平面)。通过将所有这些投影的结果绘制在一起获得反极图。
   简单的仪器操作流程如下：
       a.  样品按一定方向固定在预倾台上，预倾70度，送入样品舱后，设置真空为30 Pa，抽真空；
       b.  设置电镜加速电压12 kV，束流Spot size 50，找到待分析表面位置；
       c.  打开 EBSD 采集软件AZtec，伸入EBSD探测器；
       d.  新建项目，选定矿物相，选择面扫描模式，调正EBSD曝光时间和扣除背底，设置合适的步长进行面扫。
   
3. 数据的处理
   HKL公司的CHANNEL 5软件是目前最成熟的数据处理系统。我们在分析取向变化、晶粒大小和晶界时主要用到其中了两个模块，分别为Tango和Mambo。以下以紫贻贝壳质 (Mytilus galloprovincialis) 的EBSD数据为例，简要说明数据处理的步骤。
   1)

   去除噪点和误标
   a.  打开Tango，打开文件“项目1样品13#区3分布图数据17.cpr”, 并创建“Band Contrast”图。
   b.  点击菜单栏“Edit”选择“Noise Reduction”，得到如图2所示画面，可以看见零解点占了12%。首先去除“Wild spikes”，再去除零解点，去除后，零解点变为8.4%，见图3。
   
   
   图2. 噪点和误标去除窗口
   
   
   图3. 噪点和误标去除后
   
   c.  点击“Apply”即可。
   
   2)

   相分布图
   给不同的矿物相添加相界，点击菜单栏“Edit”选择“new map”，然后在“map composer”窗口中给不同的相赋予不同的颜色，比如我们这里设置文石为绿色，方解石为黄色，将得到的图“Export”，即可得到文石和方解石的两相分布图 (图4)。
   
   
   图4. 相分布图 (黄色为方解石，绿色为文石)
   
   
   3)

   取向分布图
   点击菜单栏“Edit”选择“new map”，然后在“map composer”窗口中给不同的相添加“IPF colouring”，得到相分布图5。
   
   
   图5. 紫贻贝壳体的晶体取向分布图及图例
   
   
   4)

   极图和反极图
   a．打开Mambo，并打开文件“项目1样品13#区3分布图数据17.cpr”。
   b.   点击菜单栏“Edit”选择“New Sheet”，在“Pole Figure Sheet Composer”窗口中选择晶系 (立方或者六方等)，点击“Ok”即可得到对应矿物相的极图，如图6所示方解石的极图。
   
   
   图6. 紫贻贝壳体方解石的极图
   
   c． 在“Pole Figure Sheet Composer”窗口中选择“Inverse Pole Figures. X0 Y0 Z0”，点击“Ok”即可得到对应矿物相的反极图，如图7所示方解石的反极图。
   
   
   图7. 紫贻贝壳体方解石的反极图
   
   
   Channel5软件对EBSD数据处理流程已非常成熟，更多详细的EBSD数据处理过程请参考Channel5软件操作手册 (Oxford Instruments HKL, 2007)。另外，如果没有安装Channel5软件，可使用基于matlab平台的MTEX Toolbox，关于其安装及使用详情参见网址https://mtex-toolbox.github.io/。
   

五、总结与展望

从最开始低效率的手动抛光，我们不断尝试不同的抛光方法。随着技术的不断进步，设备的推陈出新，高效率的抛光方法解决了对古生物化石样品进行EBSD分析之前的制样难题。低真空模式下电镜性能的不断提高使得古生物化石样品不用喷镀即可得到高分辨的EBSD结果。相信在不久的将来，EBSD将在古生物领域得到更广泛和深入的应用，解决常规技术手段无法探索的科学问题。

致谢

感谢国家自然科学基金项目 (41922011, 41872016)，中国科学院战略性先导科技专项 (B类) (编号XDB26000000)，中央高校基本科研业务费专项资金和关键地球物质循环前沿科学中心科研基金 (JBGS2101) 的资助。

参考文献

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